Adamantan okazał się kluczowy. Proces syntezy zaskakuje prostotą
Nowa technika tworzenia nanodiamentów działa w ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego i w temperaturach od -173 do 23 stopni Celsjusza. Sekretem sukcesu okazał się adamantan, czyli węglowodór o wzorze C10H16, który ma taką samą tetraedryczną strukturę jak diament. Sam proces jest zadziwiająco prosty. Kryształy adamantanu naświetla się wiązką elektronów o energii 80-200 kiloelektronowoltów przez kilkadziesiąt sekund w komorze próżniowej. Elektrony usuwają atomy wodoru, a pozostałe atomy węgla łączą się tworząc niemal idealne nanodiamenty o średnicy do 10 nanometrów. Co ciekawe, badacze testowali też inne węglowodory, lecz żaden nie dał podobnych rezultatów. To sugeruje, iż adamantan ma wyjątkowe właściwości jako prekursor dla tego typu reakcji.
Czytaj też: Duńscy naukowcy znaleźli materiał z koszmaru fizyków. Przeczy wszystkiemu czego nas uczono
Najbardziej intrygujące w całym odkryciu są obserwacje przeprowadzone w czasie rzeczywistym za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Naukowcy mogli dokładnie śledzić, jak początkowo formują się oligomery adamantanu, które potem przekształcają się w kuliste nanodiamenty.
Jednak powszechna wiedza wśród specjalistów TEM była taka, że cząsteczki organiczne szybko rozkładają się, gdy naświetla się je wiązką elektronów. Moje badania od 2004 roku to ciągła walka, aby udowodnić coś przeciwnego – wyjaśnia Eiichi Nakamura, główny autor badania
To odkrycie podważa utrwalone w środowisku naukowym przekonanie, że wiązki elektronów zawsze niszczą organiczne cząsteczki. Okazuje się, że przy odpowiedniej strukturze molekularnej mogą one napędzać precyzyjne reakcje chemiczne. Badania wykazały też wyraźny kinetyczny efekt izotopowy, co sugeruje, jakoby kluczowym etapem reakcji było rozszczepienie wiązań węgiel-wodór.
Zastosowania od technologii kwantowych po astrochemię
Potencjalne zastosowania nowej metody są naprawdę szerokie, choć problemem będzie tempo wdrożenia tej technologii. Nanodiamenty mogłyby znaleźć zastosowanie jako centra barwne w komputerach kwantowych i czujnikach, elementy inżynierii powierzchni czy narzędzia w litografii elektronowej. Odkrycie ma też ciekawe implikacje dla astrochemii. Sugeruje możliwość powstawania diamentów w meteorytach poprzez napromieniowanie cząstkami kosmicznymi. Był to mechanizm, który do tej pory pozostawał niewyjaśniony.
Ten przykład syntezy diamentów jest ostatecznym dowodem na to, że elektrony nie niszczą cząsteczek organicznych, lecz pozwalają im ulegać ściśle określonym reakcjom chemicznym, jeśli zapewnimy napromienianym cząsteczkom odpowiednie właściwości – dodaje Nakamura
Czytaj też: Fizycy dokonali czegoś niezwykłego. Oto pierwszy widzialny kryształ czasu
Nowa technika może też przyczynić się do rozwoju lepszych metod obrazowania, które będą chronić delikatne próbki organiczne przed uszkodzeniem podczas badań mikroskopowych. To szczególnie ważne w biologii, gdzie tradycyjne metody często niszczyły badane struktury. A co z ograniczeniami? Te bez wątpienia występują. Skala produkcji na razie jest mikroskopijna, a koszty prawdopodobnie wysokie. Mimo to samo odkrycie pokazuje, jak czasem prostsze rozwiązania mogą prowadzić do nieoczekiwanych przełomów – kwestionując przy okazji utrwalone naukowe dogmaty.